Cours : Composition d'un mélange

Qu’est-ce qu’une solution ?

Généralités

Définition

Solution :

Une solution est un mélange homogène d’au moins un soluté dissout dans un solvant.

Définition

Solvant :

Le solvant est une espèce chimique, le plus souvent liquide, qui est mélangée avec une autre espèce chimique (le soluté) pour former un mélange homogène.

Définition

Soluté :

Le soluté est une espèce chimique qui est mélangée à une autre (le solvant). Le soluté est dissout dans le solvant. Le soluté peut être un liquide, un solide ou encore un gaz.

• Nous avons ainsi : solvant + soluté = solution

Exemple

• Un verre de grenadine : le soluté est le sirop (liquide) et le solvant est l’eau (liquide).
• Un verre de soda : le soluté est le dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ (gaz) et le solvant est l’eau (liquide).
• Un verre d’eau salée : le soluté est le chlorure de sodium $\text{NaCl}$ (solide) et le solvant est l’eau (liquide).

Dans une solution, l’espèce chimique qui constitue le solvant reste majoritaire par rapport à l’espèce chimique qui constitue le soluté.

Composition en masse d’un mélange

Définition

Concentration en masse :

Dans un mélange, la concentration en masse $C_m$ d’un soluté en solution est le quotient de la masse $m$ de ce soluté par le volume total $V$ de solution.

$$C_m=\dfrac{m}{V}$$

Avec :

• $m$ la masse du soluté en $\text{g}$ ;
• $V$ le volume en $\text{L}$ ;
• $C_m$ la concentration en masse en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$.

Astuce

Il ne faut pas confondre concentration en masse et masse volumique !
La concentration en masse $C_m$ est la masse en gramme d’un litre d’une solution (mélange d’un solvant et d’un soluté). En revanche, la masse volumique $\rho$ est la masse en kilogramme d’un mètre cube d’une même espèce chimique ou d’un même corps. Autrement dit :

$C_m=\dfrac{\text{masse de soluté}}{\text{volume de solution}}$ et $\rho=\dfrac{\text{masse d’un produit}}{\text{volume de ce produit}}$

La composition en masse d’un mélange nous donne les proportions en masse de ses constituants, dans les mêmes conditions de température et de pression. Nous pouvons également exprimer ce rapport en pourcentage, grâce à la fraction massique.

Dans un mélange, la fraction massique du soluté $w_i$ est le quotient de la masse du soluté $m_i$ par la masse de la solution $m_{tot}$.

$$w_i=100\times\dfrac{m_i}{m_{tot}}$$

Avec :

• $m_i$ la masse de soluté en $\text{g}$ ;
• $m_{tot}$ la masse totale de la solution en $\text{g}$ ;
• $w_i$ la fraction massique $w_i$ en pourcentage.
• Lorsque la concentration en masse $C_m$ d’un soluté en solution est maximale, la solution est dite saturée. Le soluté ne peut ainsi plus se dissoudre.

Composition volumique d’un mélange

Dans cette partie, le terme « fluide » désigne un liquide ou un gaz.
La composition volumique d’un mélange nous donne les proportions en volume de ses constituants, dans les mêmes conditions de température et de pression. Nous pouvons également exprimer ce rapport en pourcentage, grâce à la fraction volumique.

Définition

Fraction volumique :

Dans un mélange, la fraction volumique d’un fluide $i$ est le quotient du volume de ce fluide, noté $v_i$, par le volume total de tous les fluides du mélange, noté $v_t$.

La fraction volumique $V_i$ d’un fluide, le volume $v_i$ du même fluide et volume total de fluide $v_t$ vérifient la relation :

Le volume du fluide (noté $v_i$) et le volume total de fluide (noté $v_t$) s’expriment dans la même unité. La fraction volumique $V_i$ s’exprime en pourcentage.

L’air est un gaz homogène qui se compose d'azote ($78,08\,\%$), de dioxygène ($20,95\,\%$) et, pour moins de $1\,\%$, de gaz rares comme l’argon ($0,93\,\%$), le néon ($18,18\,\text{ppmv}$), le krypton ($1,14\,\%\,\text{ppmv}$), le xénon ($0,08\,\text{ppmv}$) et l’hélium ($5,24\,\text{ppmv}$).

À retenir

La partie par million en volume ($\text{ppmv}$) exprime une fraction volumique valant $10^{-6}$ soit : $1\,\text{ppmv}=1\,\mu{L}\cdot\text{L}^{-1}=0,0001\,\%$.

Les solutions aqueuses

Définition

Solution aqueuse :

Une solution aqueuse est une solution dont le solvant est l’eau.

Il existe d’autres solvants que l’eau : on peut utiliser de l’alcool comme solvant, on obtient alors une solution alcoolique.

Préparation d’une solution aqueuse par dissolution

Définition

Dissolution :

La dissolution est le processus chimique par lequel un soluté est dissous dans un solvant pour former un mélange homogène appelé solution.

Méthode expérimentale de préparation d’une solution par dissolution

Voici les étapes pour préparer une solution par dissolution d’un soluté dans un solvant.

• Peser le soluté dans une coupelle.
• Vider le contenu de la coupelle dans une fiole jaugée, à l’aide d’un petit entonnoir.
• Dans un premier temps, remplir seulement les deux tiers de la fiole avec le solvant, afin de permettre une bonne homogénéisation de la solution.
• Boucher la fiole et l’agiter pour bien dissoudre le soluté dans le solvant.
• Remplir la fiole avec du solvant jusqu’au trait de jauge.

Remarques :

• Lors de la dissolution, les atomes, ions ou molécules du soluté se dispersent et interagissent avec les molécules du solvant. Cette interaction s’appelle la solvatation.
• Lors d’une dissolution, il y a conservation de la masse : la masse totale du solvant et du soluté mélangés est égale à la masse de la solution aqueuse obtenue.

Exemple

Conservation de la masse lors d’une dissolution

Dans cet exemple, $10\,\text{g}$ de sel sont mélangés à $90\,\text{g}$ d’eau, ainsi la fraction massique du sel est :

$w_{sel}=100\times\dfrac{m_{sel}}{m_{total}}=100\times\dfrac{10}{10+90}=10\,\%$

Préparation d’une solution aqueuse par dilution

Définition

Dilution :

La dilution d’une solution a pour principe de diminuer la concentration (en quantité de matière ou en masse) du soluté contenu dans le solvant, en augmentant la quantité du solvant tout en conservant identique la quantité du soluté.

Méthode expérimentale de préparation d’une solution par dilution

Voici les étapes pour préparer une solution par dilution d’une solution.

• Prélever le volume de la solution à diluer à l’aide d’une pipette jaugée et le verser dans une fiole.
• Remplir les deux tiers de la fiole avec le solvant.
• Boucher la fiole et l’agiter pour bien dissoudre le soluté dans le solvant.
• Remplir la fiole avec du solvant jusqu’au trait de jauge.

Variation de la concentration en masse au cours d’une dilution

Soit une solution de volume $V$ dont le soluté a une concentration masse $C_m$. La masse de soluté $m$ est alors égale à $C_m\times{V}$. Si l’on ajoute un volume $V_1$ de solvant à cette solution alors après dilution :

• le volume total est $V+V_1$ ;
• la masse du soluté reste inchangée et égale à $m$. Par conséquent, la nouvelle valeur de concentration en masse $C^{\prime}_m$, est : $C^{\prime}_{m}=\dfrac{m}{V_1+V}$ soit $C^{\prime}_m=\dfrac{C_m\times{V}}{V_1+V}$

Variation de la fraction massique au cours d’une dilution

• La fraction massique du soluté $w_i$, est $w_i=100\times\dfrac{m_i}{m_{tot}}$.
• Or $m_i$ reste inchangée au cours d’une dilution mais $m_{tot}$ augmente.
• Ainsi, comme la concentration en masse, la fraction massique d’un soluté diminue au cours d’une dilution.

Concentration et dosage

Définition

Dosage :

Un dosage est une technique expérimentale qui permet de déterminer la concentration en quantité de matière (exprimée en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) ou la concentration en masse (exprimée en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$) d’un soluté dissous dans une solution.

Parmi les différentes méthodes de dosage, on peut utiliser le dosage par étalonnage.

Principe d’un dosage par étalonnage

Le dosage par étalonnage repose sur l’utilisation de solutions (appelées solutions étalons) qui contiennent l’espèce chimique à doser en différentes concentrations connues. Il faut que la concentration de l’espèce chimique influe sur une grandeur physique qu’il est possible de mesurer (généralement la conductance ou l’absorbance) et qui est dépendante de la concentration.

Comment procéder expérimentalement ?

Nous avons à disposition 5 solutions de concentration connue ($C_1<C_2<C_3<C_4<C_5$) et nous voulons déterminer la concentration d’une 6^e solution. Ces solutions ont des teintes différentes, on obtient alors une échelle de teintes.

Pour réaliser un dosage par étalonnage, il faut reporter sur un graphique des points dont :

• l’abscisse correspond à la concentration des solutions connues ;
• l’ordonnée correspond à la grandeur physique mesurée.

On obtient ainsi une courbe appelée courbe d’étalonnage. On mesure alors la grandeur physique de la solution à doser afin d’obtenir un point de la courbe dont l’abscisse indique la concentration recherchée (notée $C_{solution}$) à partir de la valeur de la grandeur physique mesurée (notée $X_{solution}$).

À retenir

La courbe d'étalonnage est le plus souvent linéaire.

Avantages et limites du dosage par étalonnage

• Avantages
• Cette technique est une technique non destructive : l’échantillon de solution peut être récupéré et il n’a subi aucune dégradation.
• Cette technique est rapide et reproductible.
• Limites
• Il faut connaître la nature exacte de l’espèce présente en solution.
• La méthode n’est pas applicable quand il y a un mélange de solutés.
• Il faut que la concentration ne soit pas trop élevée.